ESTUDO COMPARATIVO DE TRÊS LOCALIZAÇÕES DE CONDUTO FORÇADO DA USINA HIDRELÉTRICA DE RIO BRANCO DO SUL

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS DE CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA FELIPE DURÃES COELHO JORGE ANTONIO XAVIER ESTUDO COMPARATIVO DE TRÊS LOCALIZAÇÕES DE CONDUTO FORÇADO DA USINA HIDRELÉTRICA DE RIO BRANCO DO SUL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2014

2 FELIPE DURÃES COELHO JORGE ANTONIO XAVIER ESTUDO COMPARATIVO DE TRÊS LOCALIZAÇÕES DE CONDUTO FORÇADO DA USINA HIDRELÉTRICA DE RIO BRANCO DO SUL Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Gilberto Manoel Alves CURITIBA 2014

3 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 Oferta interna de energia elétrica por fonte

4 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Barragem existente na propriedade Figura 2 Barragem existente na propriedade... 13

5 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Potencial hidrelétrico brasileiro por bacia hidrográfica em mar/ Tabela 2 Classificação quanto à queda das diferentes centrais hidrelétricas Tabela 3 Classificação das PCHs em diversos países (kw)... 11

6 LISTA DE SIGLAS ANEEL Hd IDER kw MCHs MW PCHs USIMAR UTFPR Agência Nacional de Energia Elétrica Queda de projeto Instituto de Desenvolvimento Sustentável e Energias Renováveis Quilowatt Microcentrais Hidrelétricas Megawatt Pequenas Centrais Hidrelétricas Usina Siderúrgica Marumby LTDA Universidade Tecnológica Federal do Paraná

7 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do Tema PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 21

8 8 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA A energia, em suas diversas facetas é indispensável à sobrevivência da espécie humana. Dispondo a eletricidade como uma das formas multifuncionais e oportuna de energia, transforma-se no recurso imprescindível para o desenvolvimento socioeconômico de muitos países. (ANEEL, 2005). Um dos temas primordiais para as discussões sobre o futuro da humanidade discorre sobre as energias renováveis, que prioriza a viabilidade técnica e econômica, porém sem deixar de ressaltar as preocupações com a sustentabilidade e o meio ambiente. Desse modo ganham ênfase as energias renováveis. (IDER, 2014). Da mesma forma a água de acordo com Alves (2007, p.15) além de ser inerente a vida humana e de seres vivos, é também usada para saneamento, lazer, irrigação e para produção de energia. No entanto, como as reservas mundiais de água estão ameaçadas por diversos fatores, avolumam-se os problemas econômicos, sociais e políticos. E nesse contexto é importante o uso das energias renováveis, tendo em vista o privilégio da disponibilidade de recursos, facilidade de aproveitamento e, primordialmente pelo caráter renovável. Neste contexto o Portal Brasileiro de Energias Renováveis (2014) descreve o que são fontes de energias renováveis. Onde são os recursos naturais utilizados, capazes de se regenerar. São classificadas como energias renováveis ou recursos naturais: Bioenergia; Energia Geotérmica; Hidrelétrica; Energia do Oceano, incluindo a energia das marés, das ondas e energia térmica; Energia Solar; Energia Eólica. O gráfico abaixo apresenta a estrutura da oferta de energia renovável por fonte elétrica no Brasil em 2012.

9 9 Gráfico 1 Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte Fonte: Balanço Energético Nacional (2014) Ano Base (2013). No que diz respeito a caráter renovável, a energia hidráulica já era utilizada no século I, para realizar a tarefa de mover rodas na moagem de cereais e, foi uma das primeiras formas de substituição do trabalho animal pelo mecânico. Segundo Okuno, Caldas e Chow (1986), essas rodas receberam relevante função no século XVI, por circunstância da industrialização da Europa. Com essas rodas foi possível o surgimento das máquinas de conversão de energia hidráulica em energia mecânica e por consequência as usinas hidrelétricas. O Brasil apresenta uma matriz de geração elétrica que predomina a energia renovável, sendo 70,6% geração hidráulica. Pode-se afirmar segundo o Balanço Energético Nacional (2014), que 79,3% da eletricidade no Brasil é gerada por fontes renováveis. Assim também é possível verificar através da tabela 1 o potencial hidrelétrico brasileiro por bacia hidrográfica, em que praticamente toda a extensão territorial brasileira obtém um grande potencial de geração de energia de fonte renovável hidrelétrica.

10 10 Tabela 1 Potencial hidrelétrico brasileiro por bacia hidrográfica em mar/2003 Bacia Código Estimado Inventariado Total (MW) (MW) % (MW) % (MW) % Bacia do Rio Amazonas ,49 78,8% 40883,07 23,0% ,56 40,6% Bacia do Rio Tocantins ,8 2,5% 24620,65 13,9% 26639,45 10,3% Bacia do Atlântico Norte/Nordeste ,5 1,3% 2127,85 1,2% 3198,35 1,2% Bacia do Rio São Francisco ,28 2,4% 24299,84 13,7% 26217,12 10,1% Bacia do Atlântico Leste ,2 2,2% 12759,81 7,2% 14539,01 5,6% Bacia do Rio Paraná ,29 8,7% 53783,42 30,3% 60902,71 23,5% Bacia do Rio Uruguai ,7 1,4% 11664,16 6,6% 12815,86 5,0% Bacia do Atlântico Sudeste ,16 2,7% 7296,77 4,1% 9465,93 3,7% Total ,42 100,0% ,57 100,0% ,99 100,0% Fonte: Eletrobras (2003). Dessa forma essa fonte renovável representa uma porcentagem significativa da matriz energética mundial e obtém tecnologias consolidadas, sendo a fonte principal de energia elétrica para mais de 30 países. Neste contexto o processo de reestruturação do setor elétrico brasileiro tem incentivado a descentralização da energia elétrica, no qual as fontes não convencionais, como as renováveis, ganham espaço e papel importante na matriz energética nacional. Nesse caso temos as Microcentrais Hidrelétricas (MCHs), Minicentrais Hidrelétricas e Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs). Constata-se a classificação na tabela 2. Tabela 2 Classificação quanto à queda das diferentes centrais hidrelétricas Classificação Das Centrais Potência Máxima (kw) Queda de Projeto - Hd (m) Baixa Média Alta MICRO 50 H d < < H d < 50 H d > 50 MINI 500 H d < < H d < 100 H d > 100 PEQUENAS 5000 H d < < H d < 130 H d > 130 Fonte: OLADE (1996). As usinas de pequeno porte variam sua classificação de um país para outro, segundo Balarim (1999, p.12). Sendo assim, os diversos países classificam de formas diferentes as micros, minis e pequenas centrais hidrelétricas. Isso é possível

11 11 pela variação do estágio industrial de cada país em seu determinado período. A seguinte tabela demonstra essa classificação. Tabela 3 Classificação das PCHs em diversos países (kw) País Micro Mini Pequena Brasil a a Bolívia a China a a Equador a a 5000 Estados Unidos a a Peru 5 a a a 5000 Polônia a a Fonte: Alves (2007). Um país desenvolvendo-se com sustentabilidade, segundo o Relatório Brundtland (1987), busca manter um equilíbrio ambiental, econômico e sócio político, para satisfazer as necessidades da sua população, sem deixar de se preocupar com as necessidades das gerações futuras. Portanto, possibilitar à população acesso aos serviços básicos de infraestrutura, saúde, educação, capacitação profissional, empregos e demais necessidades, a vida humana, precisa direcionar o uso consciente dos recursos naturais, enfatizando a sua máxima preservação. Logo, para contribuir com o desenvolvimento sustentável do país é essencial à utilização de geração de energia por meio de fontes renováveis. Além disso, segundo Alves (2007, p.12) são necessárias mudanças relevantes nas politicas, para que essas ampliem as escolhas de tecnologias e investimentos no setor energético, para que esse se torne sustentável. Deste modo cria-se uma abertura para investimentos privados, tendo como resultado a redução de impactos ambientais. Ainda Alves (2007, p.13) destaca que a energia é um insumo essencial para o bem-estar de qualquer sociedade. Ela está presente em todos os bens e serviços produzidos e, portanto, é um item básico de consumo. Portanto, esse estudo mostrará a importância do uso de energia sustentável e, a viabilidade de implantação de uma microcentral hidrelétrica como meio energético, tendo como objeto e objetivo central o estudo do método mais adequado de conduto forçado.

12 Delimitação do Tema No mês de outubro do ano de 2013, o proprietário Sr. Pedro Proença dos Santos, procurou um grupo de alunos com intuito de realizar a reutilização do potencial hidrelétrico em sua propriedade, onde já tem como cenário uma antiga usina hidrelétrica, a Usina Siderúrgica Marumby Ltda (Usimar), onde foi autorizada pelo Decreto nº de 13 de Outubro de 1959 a lavrar minério de ferro, em terrenos de sua propriedade, porém atualmente encontra-se em estado inoperante e em situações precárias. Assim, foi realizado um acordo entre o proprietário e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), para a restauração da usina deixando-a funcional. Neste contexto, o presente estudo apresenta uma análise da conjuntura do comparativo de três localizações de conduto forçado da Usina Hidrelétrica de Rio Branco do Sul. A propriedade em foco localiza-se em um local denominado Pocinho, distrito e município de Rio Branco do Sul, Estado do Paraná, distante 26 km da capital, Curitiba/Pr. Tem uma área de vinte e quatro hectares (24 ha), delimitada por um retângulo que tem um vértice a duzentos e vinte e cinco metros (225 m) no rumo verdadeiro quarenta e seis graus dez minutos nordeste (46º 10 NE), da bifurcação das estradas de rodagem rio Branco do Sul-Colombo-Bocaiuva do Sul e os lados, divergentes desse vértice, com os seguintes comprimentos e rumos verdadeiros: oitocentos metros (800 m), vinte e um graus dez minutos nordeste (21º 10 NE); trezentos metros (300 m), sessenta e oito graus cinquenta minutos sudeste (68º 50 SE). As figuras 1 e 2 mostram a barragem existente da antiga usina Usimar.

13 13 Figura 1 Barragem existente na propriedade Fonte: Autoria própria (2014). Figura 2 Barragem existente na propriedade Fonte: Autoria própria (2014).

14 PROBLEMAS E PREMISSAS Uma gama de consumidores rurais, em geral, apresenta baixo consumo de energia elétrica, o que impossibilita o atendimento financeiro por parte das concessionarias e inabilitaria, portanto, a aquisição de bens de consumo que dependem da eletricidade. Segundo Alves (2007, p.5) seria viável com a energia elétrica ampliar as atividades produtivas, desfrutar dos recursos naturais, acrescer o mercado de trabalho e refinar a situação econômica, cultural e social dos consumidores. Com intuito de gerar os benefícios que a energia elétrica pode propiciar ao consumidor rural o Sr. Pedro Proença dos Santos e os acréscimos no conhecimento específico e científico para os alunos da UTFPR, houve a parceria estabelecida entre ambos, onde não possibilitou apenas a constatar que a usina de Rio Branco do Sul se encontra sucateada, com estruturas e equipamentos deteriorados, mas também a verificação que é imprescindível e possível uma revitalização da usina para propiciar condições de geração de energia. Vale lembrar que uma microcentral hidrelétrica é constituída de: reservatório de água, barragem, tomada d água, conduto forçado, casa de força, equipamentos eletromecânicos, subestação entre outras partes. Para o restabelecimento funcional da Usina de Rio Branco do Sul, faz-se indispensável o estudo de cada parte da usina. Porém, nesse contexto este trabalho se concentrará no estudo de implantação de projeto de um conduto forçado com diversas saídas. A vista disso, não é uma tarefa simples a verificação da alternativa de instalação de conduto forçado, sendo relevante levantar dados das possíveis localizações, cotas e distâncias do conduto forçado. Dessa maneira a motivação deste trabalho está em assegurar soluções para o dimensionamento do conduto forçado, o levantamento das necessidades que deverão ser atendidas para que a MCH de Rio Branco do Sul possa gerar energia e contribuir para o aprimoramento do ensino para os alunos da UTFPR.

15 OBJETIVOS Objetivo Geral O objetivo do presente trabalho é descrever o estudo da comparação de três localizações de conduto forçado da Usina Hidrelétrica de Rio Branco do Sul, para a verificação de qual situação técnica e econômica é a mais viável Objetivos Específicos Para atingir o objetivo principal deste trabalho, é necessário o cumprimento dos seguintes objetivos específicos: Identificar as três localizações de conduto forçado; Avaliar qual o melhor diâmetro econômico e técnico para instalação do conduto forcado; Avaliar o melhor diâmetro comercial disponível; Identificar o melhor material para o conduto forçado; Definir os desenhos das localizações e alternativas utilizando o software Autocad; Identificar a melhor área para instalação do conduto forçado; Constatar economicamente a implantação do conduto forçado;

16 JUSTIFICATIVA De acordo com o crescimento demográfico e econômico mundial, presumese um aumento do consumo de energia elétrica. Contudo, os recursos naturais vêm se esgotando, o que gera preocupações relacionadas a reduções no fornecimento de energia. (ALQUÉRES, 2003). Com esse cenário preocupante, tornou-se plausível a implantação de micro usinas hidrelétricas para as comunidades rurais na proporção que dispõe condições técnico/econômicas adjuntas às novas tecnologias. Um dos itens em destaque dessa iniciativa segundo Alves (2007, p.13) é que a disponibilidade de energia elétrica permanente possibilita a ampliação das atividades produtivas, assim como o uso racional dos recursos naturais, acarretaria em uma situação econômica, cultural e social favorável e estimável aos habitantes. Ainda que os serviços públicos de distribuição de energia sejam obrigados a anteder a demanda do mercado sem qualquer discriminação de consumidores, sejam eles rurais ou de baixa renda, isso não vem acontecendo revela Poppe (2007), citado por Alves (2007, p. 5), ademais, a norma regulamentadora designa que haja solicitação prévia do interessado e a sua participação financeira nos investimentos requeridos, complementando o limite de investimento da distribuidora, o que impede o proveito da energia elétrica para uma significativa parcela da população brasileira, situada em áreas com população esparsa e de baixo poder aquisitivo. (POPPE, 2007 apud ALVES, 2007, p.1). Visto esse problema anteriormente descrito, as múltiplas opções para a geração de eletricidade por meio de fontes primárias, no que diz respeito a custos/benefícios/tecnologia, as fontes renováveis das microusinas hidrelétricas ganham destaque por serem as mais adequadas e por consequência poderem sanar as necessidades dos consumidores em questão. Logo, o mais difícil é obter o local que tenha potencial para gerar energia, sem que prejudique o meio ambiente e não cause impactos ambientais negativos. Como a estrutura para a realização da MCH já existe, ou seja, por já haver a barragem é minimizado o impacto ambiental. Dessa forma não acarretarão danos a população, ao contrário a população tende a ganhar benefícios em um ambiente que se encontra depredado e sem uso. Torna-se assim um projeto com viabilidade

17 17 técnica, econômica, social e por consequência ambiental, dentro do procedimento de desenvolvimento sustentável. Dessa maneira, o estudo para a verificação da alternativa de instalação de conduto forçado será importante para obter dados específicos das possíveis localizações, cotas e distâncias, para delimitar com precisão a melhor viabilidade técnica e econômica do uso do conduto forçado. Pois, com a viabilidade técnica e econômica, será possível determinar a melhor eficiência energética, já que a usina está desativada, assim será praticável as diversas possibilidades de localização e trajeto do conduto forçado, permitindo alcançar reais condições de aproveitamento da usina. E também, no âmbito acadêmico a presente proposta pode ser referência importante para os alunos de graduação da área elétrica no que tange a sistemas de potência, fontes alternativas de energia, geração de energia, linhas de transmissão, conduto forçado, entre outras, já que serão levantados fatos e estudos referentes a esses temas em proveito e benefício da comunidade acadêmica. Portanto, esses fatores apresentados como viabilidade técnica/econômica, eficiência energética e referência de estudo para a comunidade acadêmica, justificam a proposta apresentada para a realização do trabalho.

18 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Depois dos objetivos deste trabalho já definidos, será realizado o estudo sobre os temas abordados nessa proposta como: as localizações e legislação do conduto forçado, classificação da potência e tipo da usina, potência hidráulica, solução para localização e trajeto do conduto, topografia dos três desenhos de conduto forçado para a melhor viabilidade técnica/econômica. Obtido o conhecimento necessário sobre os temas da proposta, o próximo passo é delimitar quais tecnologias poderão ser utilizadas nas três localizações de conduto forçado. Após análise desse resultado, será escolhido o método que mais se adaptar aos objetivos desse trabalho, tanto no quesito técnico, metódico como no setor financeiro e também a alternativa escolhida será a que apresentar um rendimento plausível na utilização da energia. Dessa forma a pesquisa será constituída de fontes bibliográficas como artigos, livros, artigos técnicos, sítios eletrônicos, teses, monografias, leis, normas regulamentadoras, a fim de criar planilhas, índices, gráficos, tabelas e cálculos estatístico para demostrar os resultados alcançados. Também serão utilizadas fórmulas, cálculos matemáticos, simulações para o que os resultados adquiridos sejam verdadeiros e compatíveis com a realidade da propriedade a ser reinstalada a MCH, que por garantia e objetividade serão realizados esses procedimentos antes de serem colocados em prática, garantindo o desenvolvimento do protótipo didático e o custo/beneficio. Consequentemente, após a pesquisa bibliográfica e a prática didática, serão relatados os resultados finais, as avaliações sobre as localizações e a topografia do conduto forçado. A conclusão terá a finalidade de mostrar a eficiência, a viabilidade econômica do projeto e a melhor solução de conduto forçado.

19 ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho será estruturado da seguinte maneira: Capitulo 1 Introdução Geral 1.1 Tema Delimitação do tema 1.2 Problema 1.3 Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos 1.4 Justificativa 1.5 Procedimentos metodológicos 1.6 Estrutura do trabalho Capítulo 2 Referenciais Teóricos 2.1 Conduto forçado 2.2 Legislação: conduto forçado 2.3 Classificação do melhor diâmetro econômico e técnico para instalação de conduto forçado 2.4 Classificação do melhor diâmetro comercial disponível 2.5 Avaliação do melhor material para conduto forçado Capítulo 3 Soluções propostas 3.1 Cálculos para conduto forçado 3.2 Topografia das três localizações de conduto forçado 3.3 Viabilidade econômica para a implantação do conduto forçado Capítulo 4 Análise dos resultados: Capítulo 5 Conclusão Referências

20 CRONOGRAMA ATIVIDADE Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Delimitação do tema e orientador Levantamento Bibliográfico Identificar as três localizações de conduto forçado Avaliar qual o melhor diâmetro para instalação do conduto forçado Avaliar o melhor diâmetro comercial disponível Identificar o melhor material para o conduto forçado Definir os desenhos das localizações e alternativas utilizando o software Autocad Identificar a melhor área para instalação do conduto forçado Constatar economicamente a implantação do conduto forçado Estruturação e redação da monografia Análise dos resultados Correção e complementação da monografia Defesa

21 21 REFERÊNCIAS ALQUÉRES, José Luiz. Energia para gerações. Rio de Janeiro, Disponível em: < d_publications/book_energy/> Acesso em: 26/05/2014. ALVES, Gilberto M. Avaliação da viabilidade de aplicação de uma microcentral hidrelétrica, para atender consumidores localizados em regiões isoladas f. Tese (Doutorado) Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas, Botucatu, ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. Aspectos Socioeconômicos. Disponível em: < _socioe.pdf> 19 set Acesso em: 28 maio de BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL 2014: Ano base 2013/Empresa de Pesquisa Energética Rio de Janeiro: EPE, BALARIM, Carlos Roberto. Estimativa de custo das estruturas e equipamentos de micro centrais hidrelétricas. Tese (doutorado em Agronomia). UNESP- Botucatu, SP, CONFERÊNCIA MUNDIAL SOBRE MEIO AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO, Relatório Brundtland. Noruega: Comissão Mundial da ONU, IDER. Instituto de Desenvolvimento Sustentável e Energias Renováveis. Energias Renováveis. Disponível em < Acesso em 27/05/2014. OKUNO, Emico, CALDAS, Ibere Luiz; CHOW, Cecil. Física para Ciências Biológicas e Biomédicas. Sao Paulo: Harbra, PORTAL BRASILEIRO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS. Energias Renováveis. Disponível em =142>. Acesso em 27/05/2014.